Trong các công trình nghiên cứu về áp lực của trang phục lên cơ thể người, tác giả Seyed Abbas Mirjalili và các cộng sự [17] đã xây dựng mô hình tính toán lý thuyết áp lực của quần áo bó sát lên cơ thể người và so sánh với phương pháp mô phỏng. Tuy nhiên, việc xây dựng công thức tính toán áp lực của quần áo bó sát lên cơ thể người được thực hiện trên giả thiết cơ thể người là vật liệu tuyệt đối cứng. Xuất phát từ mục tiêu nghiên cứu của luận văn, kế thừa các kết quả nghiên cứu đã có, nội dung nghiên cứu của luận văn là:
1) Áp dụng kiến thức về cơ học vật liệu và kiến thức giải tích để xây dựng lại công thức tính toán áp lực của quần áo bó sát lên mô hình cơ thể người ở dạng vật liệu tuyệt đối cứng. Phát triển tính toán cho mô hình cơ thể người có dạng là vật liệu đàn hồi.
46
2) Ứng dụng tính toán số xác định áp lực của quần bó sát lên mô hình phần đùi cơ thể người.
3) Xây dựng mô hình thực nghiệm mô phỏng phần đùi nữ giới, với kích thước vòng đùi và các lớp vật liệu gần với cơ thể người thật.
4) Thực nghiệm đo áp lực của quần bó sát lên mô hình phần đùi cơ thể người và so sánh kết quả với phương pháp tính toán.
2.4 Phƣơng pháp nghiên cứu
2.4.1 Phƣơng pháp xác định mô đun đàn hồi của vải
Mô đun đàn hồi của vải theo hướng ngang được xác định trong thí nghiệm kéo đứt tại phòng thí nghiệm Vật liệu Dệt, Viện Dệt May – Da giầy và Thời trang, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Thí nghiệm được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D4964-96 của Mỹ[23].
- Thiết bị:
+ Máy kéo đứt RTC-1250A của Nhật Bản. + Thước thẳng
- Quy trình thí nghiệm
+ Chuẩn bị mẫu:
Kích thước vùng làm việc của mẫu thí nghiệm: 100 mm x 50mm. Phần mép vải để kẹp giữ mỗi phía là 75 mm. Cắt mẫu thử có kích thước 250 mm x 50 mm (dài x rộng). Khi đo và cắt tránh hiện tượng cắt đứt vòng sợi trong cùng một cột vòng.
Dựa theo tiêu chuẩn ASTM D4964-96, 5 mẫu thí nghiệm được đặt trong điều kiện nhiệt độ 21 ± 1OC và độ ẩm 65 ± 2% trong khoảng thời gian 16 giờ để khử hết ứng suất dư trên vải.
+ Cách tiến hành thí nghiệm:
Đánh dấu khoảng cách làm việc của mẫu với chiều dài là 100 mm. Chỉnh khoảng cách 2 ngàm kẹp là 100 mm. Chọn làm mốc.
47
Kẹp đầu trên của mẫu vào ngàm trên. Để mẫu vải duỗi thẳng bởi tác dụng của trọng lực. Kẹp đầu còn lại vào ngàm dưới sao cho lực căng ban đầu ≤ 0,02 N, vặn chặt 2 đầu ngàm kẹp. Bắt đầu quá trình kéo đứt mẫu.
Từ biểu đồ Lực – chuyển vị trong khoảng độ giãn <80%, giá trị lực kéo và độ giãn có mối quan hệ tương đối tuyến tính. Dựa vào khoảng tuyến tính này xác định được giá trị mô đun đàn hồi.
Giá trị mô đun đàn hồi được tính theo công thức [45]:
E
Theo tài liệu số [4] trang 151, khi sợi chịu lực kéo giãn nhỏ trong thời gian ngắn và thành phần biến dạng đàn hồi lớn đạt tới 90% lúc đó có thể tính mô đun đàn hồi ban đầu (hoặc mô đun đàn hồi loại một). Như vậy để tính mô đun đàn hồi của vải cần hai điều kiện:
- Lực kéo là tương đối nhỏ. - Thời gian kéo là ngắn.
48
2.4.2 Phƣơng pháp xác định sự thay đổi lực kéo giãn hƣớng sợi ngang theo thời gian tại các độ giãn khác nhau
Áp lực của quần áo lên cơ thể người suy giảm theo thời gian là bởi hiện tượng lơi của vải, nội ứng suất của vải bị giảm sau một khoảng thời gian bị kéo giãn ở độ giãn nhất định. Hiện tượng này là do khi vải bị kéo giãn, mức độ kéo giãn của các sợi trong vải là không giống nhau. Một số sợi bị kéo giãn nhiều hơn mức trung bình trong khi một số khác bị kéo giãn thấp hơn mức trung bình do ảnh hưởng của yếu tố hướng lực kéo và cấu trúc không đồng đều của vải. Sau đó hiện tượng cân bằng ứng suất xuất hiện, cân bằng ứng suất sẽ làm ứng suất trung bình giảm xuống [7].
Sự thay đổi lực kéo giãn của vải theo thời gian được xác định trong thí nghiệm kéo giãn tại phòng thí nghiệm Vật liệu Dệt, Viện Dệt May – Da giầy và Thời trang, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Việc chuẩn bị mẫu và điều chỉnh thông số vận hành máy được lấy theo tiêu chuẩn ASTM D4964-96 [23].
- Thiết bị:
+ Máy kéo đứt RTC-1250A của Nhật Bản. + Thước thẳng
- Quy trình thí nghiệm
+ Chuẩn bị mẫu
Kích thước vùng làm việc của mẫu thí nghiệm: 100 mm x 50mm. Phần mép vải để kẹp giữ mỗi phía là 75 mm. Cắt mẫu thử có kích thước 250 mm x 50 mm (dài x rộng). Khi đo và cắt tránh hiện tượng cắt đứt vòng sợi trong cùng một cột vòng.
Dựa theo tiêu chuẩn ASTM D4964-96, 20 mẫu thí nghiệm được đặt trong điều kiện nhiệt độ 21 ± 1OC và độ ẩm 65 ± 2% trong khoảng thời gian 16 giờ để khử hết ứng suất dư trên vải.
+ Cách tiến hành thí nghiệm:
Đánh dấu khoảng cách làm việc của mẫu với chiều dài là 100 mm. Chỉnh khoảng cách 2 ngàm kẹp là 100 mm. Chọn làm mốc.
49
Kẹp đầu trên của mẫu vào ngàm trên. Để mẫu vải duỗi thẳng bởi tác dụng của trọng lực. Kẹp đầu còn lại vào ngàm dưới sao cho lực căng ban đầu ≤ 0,02 N, vặn chặt 2 đầu ngàm kẹp. Bắt đầu quá trình kéo giãn mẫu.
4x5 mẫu thí nghiệm được kéo lần lượt đến các độ giãn 10%, 20%, 30% và 40%, sau đó cho máy dừng lại để theo dõi quá trình thay đổi của lực.
Tiến hành xây dựng biểu đồ biểu thị mối quan hệ giữa lực kéo giãn và thời gian.
2.4.3 Phƣơng pháp xác định mô đun khối của mút
Mô đun khối của mút được xác định cũng trên máy RTC-1250A của Nhật Bản tại phòng thí nghiệm Vật liệu Dệt ở chế độ nén. Thí nghiệm được tiến hành theo tiêu chuẩn ISO 844 và thực hiện theo tài liệu [21]:
- Tốc độ nén là 5 mm/ phút - Khoảng nén là 15 mm.
+ Chuẩn bị mẫu:
Cắt mẫu với kích thước 100x100x30 mm. Ổn định mẫu trong điều kiện tiêu chuẩn ít nhất 16 giờ để khử hết ứng suất dư.
+ Cách tiến hành thí nghiệm:
Đặt mẫu lên bệ đỡ, đặt tấm kim loại lên trên mẫu.
50
Dịch chuyển đầu nén của máy đi xuống tiếp xúc với tấm kim loại. Từ vị trí tiếp xúc tiếp tục cho đầu nén đi xuống một khoảng 15 mm. Tại vị trí này tiến hành chỉnh 0 cho máy. Đưa đầu nén đi lên về lại vị trí tiếp xúc. Nhấn nút Start để máy chạy tự động. Máy sẽ tự dừng lại khi đầu nén xuống tới vị trí 0.
Tấm kim loại có dạng trụ tròn với đường kính 50 mm, diện tích tiếp xúc với tấm mút là 1962,5 mm2 = 1,9625.10-3 m2.
Phần mềm sẽ vẽ đồ thị quan hệ giữa lực ép và chuyển vị. Giá trị mô đun khối được tính theo công thức [47]:
dP K V dV Trong đó - V là thể tích mẫu thí nghiệm (mm3) - P là áp lực lên mẫu thí nghiệm (Pa) - K là mô đun khối của mút (Pa)
2.4.4 Phƣơng pháp tính toán lý thuyết xác định áp lực của quần áo bó sát lên cơ thể ngƣời
2.4.4.1 Giả thuyết trong bài toán nghiên cứu
Trong nghiên cứu mô hình hóa cơ thể người, các bộ phận cơ thể được qui về các khối hình học cơ bản tương thích nhất về hình dạng và cấu tạo. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả nghiên cứu mô hình hóa các bộ phân cơ thể người, vật liệu vải và quần áo trên cơ sở các giả thiết sau [17]:
1. Các bộ phận cơ thể người có dạng khối cầu, khối trụ hoặc khối nón, nón cụt. 2. Cơ thể người được coi là đàn hồi tuyến tính tuân theo định luật Hook.
3. Vải được coi là vật liệu đồng nhất, đẳng hướng, đàn hồi tuyến tính. 4. Ma sát giữa cơ thể và vải được bỏ qua.
5. Sự tương tác giữa cơ thể và quần áo đồng nhất tại mọi vị trí.
2.4.4.2 Xây dựng mô hình nghiên cứu
Xét trường hợp tổng quát, cơ thể người là một khối tròn xoay được tạo bởi phương pháp xoay một đường cong 2D quanh 1 trục. Phủ ra ngoài cơ thể một lớp
51
quần áo bó sát có độ dày là t, khi đó vị trí mỗi điểm trên lớp quần áo sẽ được xác định bởi các thông số: ϕ, θ, r0 (hình 2.4). Trong đó:
- ϕ là góc tạo bởi bán kính cong tại mỗi điểm trên lớp quần áo và trục tung. - θ là góc xác định vị trí mỗi điểm trong mặt cắt theo phương ngang.
- r0 bán kính cong của mỗi điểm trong mặt cắt theo phương ngang.
Xét diện tích nhỏ ABCD trên lớp quần áo được tạo bởi hai mặt cắt đi qua trục xoay và hai mặt cắt theo phương ngang.
Hình 2.4: Mô hình tính toán tổng quát áp lực của quần áo lên cơ thể người
Khi lớp quần áo tác động một áp lực p vào phía trong cơ thể, theo định luật 3 Newton, sẽ có một phản áp lực tác động ngược trở lại lớp quần áo. Phản áp lực này sẽ sinh ra ứng suất σθ ,σϕ theo phương tiếp tuyến với đường cong kinh tuyến và đường cong vĩ tuyến.
2.4.4.3 Phân tích lực lên một đơn vị phần tử diện tích cơ thể người và quần áo
52
Xét phần tử diện tích nhỏ ABCD trên quần áo. Phản lực do cơ thể tác dụng ngược trở lại diện tích ABCD trên quần áo được tính theo công thức:
r1 là bán kính cong theo phương kinh tuyến của diện tích ABCD.
Hình 2.6: Hình vẽ minh họa thành phần lực tiếp tuyến trong mặt phẳng đi qua tâm xoay và mặt phẳng nằm ngang lên phần tử diện tích quần áo
Phản lực F sẽ sinh ra lực tiếp tuyến và kéo giãn diện tích ABCD theo phương kinh tuyến.
- là lực kéo theo phương kinh tuyến - là ứng suất theo phương kinh tuyến - t là độ dày của lớp quần áo
Tổng hợp của 2 vec tơ lực sẽ hướng vào tâm O và có độ lớn:
F
= ( ) ( )
Phản lực F cũng sẽ sinh ra lực tiếp tuyến và kéo giãn diện tích ABCD theo phương vĩ tuyến.
- là lực kéo theo phương vĩ tuyến - là ứng suất theo phương vĩ tuyến
53
Khi đó tổng hợp của 2 véc tơ lực kéo theo phương vĩ tuyến sẽ hướng vào tâm O1’. Với góc dϕ nhỏ, O1’ trùng với O1. Lực tổng hợp theo phương vĩ tuyến có độ lớn:
F
= ( ) ( )
Phương trình (2) và (3) là độ lớn các thành phần lực hướng tâm do lớp quần áo tác dụng lên cơ thể người mặc. Nhiệm vụ đặt ra là xây dựng công thức tính toán áp lực của quần áo lên cơ thể.
2.4.4.4 Ứng dụng phần mềm Maple 16 tính toán số áp lực của quần áo lên cơ thể người [22] người [22]
Maple là phần mềm do một nhóm các nhà khoa học của Canada thuộc trường đại học Waterloo xây dựng và cho ra đời vào năm 1980 với mục đích sử dụng máy tính giải các bài toán thực tế. Từ đó, đã làm thay đổi cách học toán: Song song với cách giải "truyền thống", sinh viên được hướng dẫn giải bằng sự trợ giúp của Maple. Phương pháp này tạo ra cho sinh viên cách tiếp cận mới với toán học sinh động, sáng tạo và rèn được khả năng tự học, tự kiểm tra, tự nghiên cứu.
Phần mềm cung cấp đầy đủ các công cụ phục vụ cho việc tính toán số và tính toán biểu trưng (tính toán trừu tượng trên các tham biến), vẽ đồ thị cho nhiều phân ngành như đại số tuyến tính, toán rời rạc, toán tài chính, thống kê, lý thuyết số, phương trình vi phân. Công cụ tính toán Maple giúp người dùng được giải phóng khỏi những tính toán phức tạp mất nhiều thời gian và đặc biệt tránh được sai sót, nhầm lẫn khi tính toán.
Trong luận văn sử dụng phần mềm Maple để thực hiện tính toán số theo các nội dung sau:
- Khai báo hàm.
- Gán giá trị cho các biến.
- Giải phương trình bậc ba nhằm tính bán kính mô hình sau biến dạng.
Một số phép toán sử dụng trong việc tính toán số áp lực của quần áo lên cơ thể người:
54 - Giải phương trình sử dụng hàm solve:
- Phép làm tròn evalf:
2.4.5 Phƣơng pháp thực nghiệm xác định áp lực của quần áo lên cơ thể ngƣời
2.4.5.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm phần đùi cơ thể người
a. Thiết kế mô hình
- Lựa chọn bộ phận của cơ thể ngƣời để tiến hành mô hình hóa
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn tác giả chọn phần đùi của cơ thể để mô hình hóa, có rất nhiều các sản phẩm của ngành công nghiệp may dành cho phần rất đẹp và quan trọng này. Cấu trúc hình học của phần đùi đại diện cho rất nhiều bộ phận khác trên cơ thể. Việc nghiên cứu tính toán áp lực của quần bó sát lên mô hình phần đùi thành công sẽ tạo tiền đề cho việc nghiên cứu áp lực của quần áo bó sát lên cơ thể người thật, xa hơn nữa là chế tạo các sản phẩm quần áo áp lực phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau như: quần áo thể thao, quần áo ý tế, sản phẩm chỉnh hình thẩm mỹ...
- Kích thƣớc của mô hình
55
Mô hình thực nghiệm thiết kế nhằm mô phỏng phần đùi cơ thể đối tượng nữ thanh niên có kích thước theo tài liệu [24]. Cụ thể:
- Bán kính vòng đùi trên 91,1 mm - Bán kính vòng đùi dưới 71,4 mm - Chiều dài mô hình là 180 mm.
Bản vẽ thiết kế được thể hiện trên hình 2.7.
- Cấu tạo của mô hình
Mô hình phần đùi cần được làm từ 2 lớp vật liệu: lớp bên trong bằng vật liệu cứng đại diện cho phần xương, lớp bên ngoài làm bằng vật liệu có tính đàn hồi cao và khả năng biến dạng tốt đại diện cho phần mô của cơ thể [3], [7]. Lớp vật liệu bên ngoài có độ dày 30 mm.
Hình 2.8: Kích thước phần trong của mô hình được làm từ nhựa POM
- Lựa chọn vật liệu
Để mô hình có đặc điểm gần với cấu tạo phần đùi cơ thể người, phần bên trong của mô hình được thiết kế bằng nhựa POM cứng tương tự với phần khung xương của cơ thể, bên ngoài được bọc lớp mút Polyurethane dày 30 mm mô phỏng phần mô và da của cơ thể [3], [7].
Theo tài liệu [46], POM viết tắt của Polyoxymetylen là loại copolymer tinh thể và có thể sử dụng ở nhiệt độ lên tới 100oC. POM là polymer đồng trùng hợp có tính
56
năng cơ khí khá tốt, ổn định với độ ẩm, dễ dàng gia công, ổn định nhiệt tốt, chịu được môi trường kiềm.
Hình 2.9: Hình ảnh trụ nhựa POM
Trong luận văn sử dụng loại nhựa POM có đặc tính: + Độ bền cơ học và độ cứng cao.
+ Ổn định về kích thước tốt. + Khả năng gia công cơ khí tốt.
Theo tài liệu [48], mút PU hay Polyurethane hình thành do phản ứng giữa isocyanates và polyol. Sử dụng các kỹ thuật phối trộn khác nhau, có thể sản xuất ra polyurethane với những tính chất khác nhau. Các nhóm chính bao gồm:
+ Dạng sợi + Dạng màng + Dạng đổ khuôn + Dạng nhiệt dẻo + Dạng bọt + Dạng cán được
Mút PU được sử dụng trong luận văn là ở dạng bọt mềm được ứng dụng làm